자동차의 점화장치(2)

저자 소개
김민복 교수는 현대전자(주) 자동차 전장품 생산기술 과장을 거쳐 현대자동차 자동차 품질조사 고객지원 팀장을 역임했다. 그후 현대자동차 정비기술지원 하이테크팀에서 근무했으며, 현재 신흥대학교 자동차과 겸임 교수 겸 e-자동차 전기 연구원으로 활동하고 있다. 주요 저서로는 ‘최신 자동차 전기, 전자 제어 엔진’ 외 다수가 있다.
 

연재순서 1. 자동차의 전장품 분류  2. 시동장치 3. 충전장치  4. 점화장치 5. 등화장치  6. 계기장치 7. 자동차용 전선, 커넥터  8. 전자 제어 엔진(1) 9. 전자 제어 엔진(2)  10. 전자 제어 섀시(1) 11. 전자 제어 섀시(2)  12. 전자 제어 전기

점화시기와 연소실의 온도 특성 진각장치의 필요성 엔진 부하가 작게 걸릴 때에는 실린더에 흡입되는 공기량도 적게 되며, 그림 1의 저부하 시 특성과 같이 혼합가스가 착화되어 실린더 내에 연소 압력이 최대가 될 때까지 걸리는 시간은 다소 지연되게 된다. 이 때에는 점화시기를 맞추기 위해 지연된 시간만큼 진각(進角)할 필요가 있다. 반면에 엔진 부하가 걸린 고부하 시에는 실린더의 흡입되는 공기량과 연료분사량은 증가하여 실린더 내의 혼합가스는 농후한 상태가 되어 최대 연소 압력이 될 때까지 걸리는 연소 속도는 빨라지게 된다. 따라서 이 때에는 점화 지시를 늦추지 않으면 차량의 출력 저하와 노킹(knocking) 현상이 발생하게 된다.

이와 같이 엔진의 동작상태에 따라 점화시기를 맞추기 위해 접점식 점화장치에서는 디스트리뷰터 내에 회전 원심력을 이용한 거버너 웨이트(Governor Weight)를 설치하여 그림 2의 진각 특성과 같이 진각시켜 주고 있다. 이 특성은 엔진 속도가 빨라지면 진각도는 증가하여 진각하지만 엔진 속도가 5500 rpm 이상 고속 영역에서는 진각되지 않는 특성이 있다. 이것은 엔진 회전 속도가 고속 상태가 되면 실린더 내의 혼합가스 와류는 심화되고 연소실의 화염 전파 속도는 빨라지기 때문에 엔진의 일정속 이상 고속 상태가 되면 진각할 필요가 없다.
현재 주종을 이루고 있는 전자제어식 점화장치도 이러한 진각 개념을 기본으로 하여 ECU(전자제어장치)가 진각 및 지각을 하도록 제어한 것에 불과하다고 할 수 있다. 점화시기와 진각 전자제어식 점화장치 중 디스트리뷰터를 사용하지 않는 점화장치에는 독립식 DLI 장치와 그림 3의 동시 점화식 DLI 장치가 적용되고 있다. 동시 점화식 DLI 장치는 점화코일 1개당 실린더 2개를 동시 점화하는 방식으로, 점화코일의 1차 전류를 단속(斷續)하는 PWR TR1(파워 트랜지스터1)이 차단되면 점화코일 T1의 1차 전류가 차단되는 순간 2차 코일에 고압이 유도되어 1번과 4번 실린더가 동시에 점화한다. 또한 순차적으로 PWR TR2와 PWR TR3가 차단되면 점화코일 T2, T3의 1차 전류가 차단되어 2차 코일에 유도된 고압은 2번, 5번 실린더와 3번, 6번 실린더가 동시에 점화하게 된다.

PWR TR1(Power Transistor 1)이 턴오프(Turn-off) 되어 점화를 개시할 때에는 1번 실린더는 압축 행정이 되고 4번 실린더는 배기 행정이 된다. 또한 PWR TR2가 턴오프 상태가 될 때에는 2번 실린더가 압축 행정이 되고 5번 실린더는 배기 행정이 된다. PWR TR3가 턴오프 상태가 될 때에는 3번 실린더는 압축 행정, 6번 실린더는 배기 행정에서 동시 점화하게 된다.

이와 같이 동시 점화방식에서는 점화코일 1개에 실린더 2개를 동시에 1번→4번, 2번→5번, 3번→6번 순으로 동시에 점화하여 결국 1번→2번→3번→4번→5번→6번 순으로 점화해 나간다. 이 점화시기는 접점식 점화장치의 진각 개념과 같이 차량의 주행 상태에 따라 기본 진각치를 ROM 내에 미리 설정해 놓고, 엔진의 부하 상태나 냉각수 온도 등에 따라 보정(補正)하여 결정한다. 이때 기본 점화시기는 AFS 센서와 TDC 센서 또는 CMP 센서의 신호를 토대로 점화 실린더를 판별하고, CAS 센서의 신호를 기준으로 연산하여 점화신호를 출력하게 된다.

CAS 센서의 신호가 low→high로 상승할 때 TDC 센서가 low인 상태이고, CAS 센서 신호가 high→low로 떨어질 때 TDC 센서가 low인 상태가 되면 1번 실린더는 압축 상사점에 있다고 판단하여 점화신호를 출력한다. 또한 CAS 센서의 신호가 low→high로 상승할 때 TDC 센서가 high 상태로 되면 2번 실린더는 압축 상사점에 있다고 판단하여 점화신호를 출력한다. CAS 센서의 신호가 low→high로 상승할 때 TDC 센서의 신호가 low 상태가 되고, CAS 센서의 신호가 high→low로 떨어질 때 TDC 센서가 high 상태에 있으면 3번 실린더는 압축 상사점에 있다고 판단하여 점화신호를 출력한다.

이와 같이 점화시기는 CAS 센서 신호의 주기를 계수하여 크랭크 샤프트(Crank Shaft)가 1˚ 회전할 때 걸리는 시간 (t)를 구해, BTDC 75˚를 기준으로 점화시기(Tg)를 산출한다. Tg=t×(75˚-θ) * θ: 차량 주행조건에 따른 점화 진각치 통상 주행 시 기본 점화 진각은 실린더의 체적에 따른 흡입 공기량과 엔진 회전수에 따라 그림 5의 진각 결정 흐름도와 그림 6과 같이 미리 설정된 ROM 내의 점화 진각 MAP에 의해 결정된다. 일반적으로 엔진은 냉각수 온도가 낮을 때 이론 공연비보다 리치(Rich)하게 연료를 공급하지 않으면 엔진의 시동성이 떨어지고 시동 직후 엔진이 불안정한 상태로 이어질 수 있다.

따라서 이러한 현상을 방지하기 위해 연료를 이론 공연비보다 증량하고 점화시기를 진각시킨다. 보통 연료를 증량하여 수온 보정을 하는 경우는 냉각수 온도가 70℃~80℃ 정도가 될 때까지 증량하여 점화시기를 진각하고 있다. 또한 대기압 보정은 흡입공기의 밀도가 온도나 압력에 따라 변화하여, 이것에 대응하여 점화시기를 진각하는 보정이다. 보통 대기압 보정은 대기압 이상인 경우는 보정을 하지 않고, 대기압 이하인 산소가 희박한 산간 지역을 대상으로 진각하고 있다.

한편 노킹 현상은 엔진이 저속 고부하 상태에서 자주 일어나는 특성을 갖는데, 노킹이 자주 일어나는 영역을 설정하여 점화시기를 지각하면 노킹 현상을 예방할 수 있다. 엔진의 노킹 검출은 노크 센서(Knock Sensor)로부터 검출한 정보를 토대로 노킹 강도를 판단하고 미리 설정된 지각치를 출력하여 노킹을 예방하고 있다. 폐각도 제어 폐각도(Dwell Angle)란, 점화 1차 코일에 전류가 흐르고 있는 동안 캠(Cam)이 회전하는 각을 말하는데, 이 폐각도 시간(Dwell time)은 엔진이 고속으로 회전하게 되면 점화주기는 짧아지게 돼 점화 1차측에 흐르는 드웰 타임은 작아지게 된다.

이 드웰 타임이 작아지면 점화 2차 전압이 낮아지게 되고 점화 플러그로부터 아크방전 지속 시간도 짧아진다. 이 아크방전 시간이 짧아지면 연소실 내에 혼합가스는 착화가 불안전하게 돼 결국 불안전 연소상태로 이어지게 된다. 불안전 연소가 발생하면 배출가스와 연비 증가로 이어지게 되고 나아가 실화 상태로 이어지게 된다.

따라서 엔진의 회전속이 상승하면 이에 따라 폐각도 제어를 하지 않으면 안된다. 접점식 점화장치의 결점은 엔진이 고속 회전 시 드웰 타임이 짧아져 1차 전류가 저하되기 때문이다. 엔진이 고속 회전 시 1차 전류가 저하되는 것은 드웰 타임과 접점식 점화장치에 사용되는 점화코일의 인덕턴스 값에 의한 것이다. 따라서 전자제어식에 사용되는 폐자로 코일은 접점식에 사용되는 개자로 코일에 비해 1차 코일의 권선 지름을 크게 하고 권선을 작게 감아 저항치가 약 1/6 정도 작은 것을 사용한다.

1차 코일의 저항이 낮아지면 1차 코일에 흐르는 전류는 증가하지만 엔진이 저속 회전에서는 과대한 전류가 흐르게 돼 점화코일이 과열상태에 놓이게 된다. 따라서 1차측 전류가 한계선 이상 흐르지 않도록 폐각도 제어와 정전류 제어를 하고 있다. 연소실의 온도와 방전 전압 일반적으로 절연체의 경우는 온도가 상승하면 절연 파괴가 쉽게 일어나는 성질을 가지고 있고, 공기의 경우도 마찬가지로 온도가 상승하면 절연 파괴가 쉽게 일어나는 성질이 있어 혼합가스의 온도가 상승하면 방전전압이 낮아도 그림 9의 (a) 특성과 같이 불꽃이 쉽게 발생할 수가 있다.

연소실 내에 혼합가스 온도 상승은 실린더의 압력과 같이 상승하게 되지만 혼합가스의 온도 상승에 의한 불꽃방전 전압은 저하보다 실린더의 압력 상승에 의한 불꽃방전 전압이 상승효과가 더 크기 때문에, 혼합가스의 온도 특성은 그림 9의 (a)와 같다. 특히, 엔진이 고부하 시 실린더의 압력은 상승하여 연소실 내의 중심 전극은 더 높은 점화 요구 전압이 필요하게 된다. 이 점화 요구 전압은 점화 플러그의 전극 사이에 혼합가스가 초기 회로를 형성하는 용량 성분의 방전 전압을 말하는데, 이 전압이 낮을수록 좋다.

혼합가스의 온도가 높으면 방전 전압은 낮아지지만 연소실의 온도가 상승하여 점화 플러그의 온도가 약 870℃ 이상 상승하면 프리 이그니션(Free ignition) 현상이 발생하게 된다. 또한 연소실의 혼합가스 온도가 너무 낮아 150℃ 이하에서 장시간 사용하게 되면 점화 플러그의 전극부에 카본이 퇴적되어, 이로 인해 쉽게 리크(leak) 현상을 일으킬 수 있다.

점화장치의 고장 진단 점화장치에 이상이 발생하면 엔진의 출력 저하, 연비 증가, 배출가스 증가로 이어지며 심한 경우에는 노킹 현상이 발생하는 경우도 있다. 주로 점화장치의 이상으로 인한 고장 현상은 엔진 부조 현상이나 고부하 시 출력이 떨어지는 현상을 들 수 있으며, 심한 경우에는 초기 시동 지연 현상이나 노킹 현상 및 시동 불능 현상으로 나타날 수 있는 장치이다.

시동 불능 점검 크랭킹(cranking) 하는데 시동이 걸리지 않는 경우라면 연료 계통과 점화 계통을 나누어 생각해 볼 수 있는데, 먼저 점화 계통을 점검하는 것이 수순이다. 전자제어 엔진의 경우 점화 신호는 CAS 센서의 신호를 기준으로 결정하고 있어 먼저 CAS 센서의 신호 전압을 공급하는 전원 확인이 무엇보다 중요하다. 퓨즈를 통해 센서 전원이 정상적으로 공급되고 있는지 확인하는 것도 잊어서는 안된다.
보통 정비현장에서는 크랭킹 시 점화 플러그를 뽑아 차체에 가까이(1cm 정도) 하고 불꽃이 튀는 것을 확인하는 것으로 점화장치를 점검하지만 감전 사고가 일어날 수 있어 타이밍 라이트를 이용하면 편리하다. 이 방법은 크랭킹 시 타이밍 라이트의 섬광으로 불꽃 방전을 확인할 수 있으므로 편리하고 감전사고도 예방할 수 있어서 좋다.

크랭킹을 하는 것으로 보아 배터리 이상은 없는 것으로 판단되지만, 만일 점화 플러그로부터 불꽃이 튀지 않는 경우라면 점화 시 필요한 전압이 낮은 경우에는 착화 미스로 이어질 수 있어 배터리 전압보다 점화 전압을 확인하는 것이 좋다. 크랭킹 시 점화 전압은 점화 코일의 +측 단자로부터 약 9V 이상은 되어야 착화 미스로 이어지지 않는다. 점화 전압이 이상이 없는 경우라면 크랭킹 시 CAS 센서의 출력 신호를 확인하는 것도 잊지 않는다.

보통 전자제어 엔진의 경우에는 CAS 센서의 신호를 기준으로 점화 신호와 연료 펌프 모터에 전원을 공급하고 있어 크랭킹 시 CAS 센서의 출력을 확인하는 것은 중요하다. 크랭킹 시 CAS 센서의 출력 신호가 정상적으로 출력되는 경우라면 이그나이터(Igniter) 또는 파워 TR의 입력 신호, 즉 점화 신호를 엔진 튠업 테스터 또는 오실로스코프로 확인한다. 만일 엔진 튠업 테스터나 오실로스코프가 없는 경우라면 LED식 테스트 램프로 이그나이터의 입력 신호를 간단히 확인하여 볼 수도 있다. 이때 점화 신호가 정상적으로 이그나이터(파워 TR)로 입력되고 있는 상태라면 점화 코일의 단선을 예측할 수 있다.

엔진 부조의 점검 엔진 부조의 경우에는 엔진의 조건에 따라 아이들 상태에서 엔진 부조와 가속 시 엔진 부조, 부하 시 엔진 부조 현상을 들 수 있다. 그리고 엔진의 냉각 수온 상태에 따라 냉간 시와 열간 시 엔진 부조 현상으로 나누어 볼 수 있다. 점화계의 엔진 부조 현상은 점화 2차 회로에서 발생하는 고압 에너지가 점화 플러그의 아크 방전을 통해 연소실에서 충분히 착화 현상이 일어나지 않는 현상에 기인한 것으로 앞서 기술한 점화 회로의 점검만으로는 정확히 판단할 수 없다.

따라서 엔진 부조 현상은 연소실의 연소 상태를 확인하여 보는 것이 수순이다. 연소실의 연소 상태를 확인하는 방법은 엔진 튠업 테스터를 걸어 점화 1차 파형과 2차 파형을 확인하는 방법과 점화 플러그를 제거하여 전극의 간극과 전극 부위의 연소 상태를 육안으로 그을림 상태를 점검하는 방법을 사용하고 있다. 보통 점화 플러그의 전극 부위가 다갈색을 띠는 경우에는 정상적인 연소 상태로 판단하고, 회백색을 띠는 경우에는 과연소 상태를 나타낸다. 또한 전극 부위의 그을림이 검은색을 띠는 경우에는 혼합비가 과농한 상태로 판단하며, 이 경우에는 WTS 센서나 엔진의 압축 압력, 엔진 오일의 소모 상태를 점검하여야 한다.

점화 플러그의 상태가 정상임에도 불구하고 엔진 부조를 하는 경우에는 점화 2차 회로의 누설에 의한 경우가 많다. 점화 2차 회로의 누설 점검은 점화 2차 파형을 튠업 테스터로 확인하는 방법과 절연 테스터를 사용하는 방법이 있다. 만일 이들 테스터가 없는 경우에는 2차측 회로를 육안으로 점검하는 것도 한 방법이다. 보통 점화 2차 회로에 누설이 발생하면 육안으로 확인할 수 있는 경우가 있는데, 이것은 주로 고압 케이블의 연결 부위나 연결구 또는 디스트리뷰터를 사용하는 경우는 디스트리뷰터의 캡(cap) 부위에 많이 발생하며, 누설이 발생하는 곳은 균열 흔적이나 백색의 누설 흔적이 있는 곳에서 발생한다. 또한 누설에 의한 엔진 부조 현상은 날씨와 주위의 습도에 관계가 있어 습도가 높은 날씨나 아침에만 발생하는 경우도 생기게 된다.

아이들 시나 고속 시 또는 엔진이 냉간 시나 열간 시와 관계없이 항상 부조하는 경우는 엔진 튠업 테스터를 걸어 연소 상태를 확인하거나 점화 플러그를 제거한 후 연소 상태를 확인한 후 실린더의 압축 압력을 점검한다. 금회의 점화장치는 여기서 줄이고, 차회에는 등화장치에 대해 알아보는 시간을 갖도록 하겠다. <끝>

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